一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法
阅读说明：本技术 一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法 (Preparation method of low-expansion-coefficient direct twistless roving ) 是由 崔宝山 杜照孔 安智广 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法,属于无机非金属材料技术领域。上述低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法,包括：按比例称取原料,投入玻璃熔炉内,进行玻璃化、熔融处理,然后进行纺丝成型,得到玻璃纤维,冷却后涂覆浸润剂,然后再由直接无捻粗纱拉丝机绕制成低膨胀系数直接无捻粗纱并干燥即可。本发明通过对玻璃纤维原料的限定,以及涂覆的浸润剂成分的限定,成功得到膨胀系数较低、断裂强度和拉挤棒材弯曲强度高,毛羽量少的直接无捻粗纱。(The invention discloses a preparation method of direct twistless roving with a low expansion coefficient, and belongs to the technical field of inorganic non-metallic materials. The preparation method of the low-expansion coefficient direct twistless roving comprises the following steps: weighing raw materials according to a proportion, putting the raw materials into a glass melting furnace, carrying out vitrification and melting treatment, then carrying out spinning forming to obtain glass fibers, coating a sizing agent after cooling, then winding the glass fibers into low-expansion-coefficient direct twistless roving by a direct twistless roving drawing machine, and drying the twistless roving. According to the invention, through the limitation of the glass fiber raw material and the limitation of the components of the coated impregnating compound, the direct twistless roving with low expansion coefficient, high breaking strength and bending strength of the pultruded bar and low hairiness can be successfully obtained.)
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是指一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法。
背景技术
玻璃纤维(Fiberglass)，是一种性能优异的无机非金属材料，具有良好的绝缘性，同时耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但是性脆，耐磨性较差。它是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域，是目前用量最大的无机纤维增强材料。
玻璃纤维直接无捻粗纱被广泛的应用于造船、风力叶片、石油化工、建筑装饰、保温隔热等领域。常规玻璃纤维未经表面护理时多为脆性，常利用浸润剂对玻璃纤维表面进行涂覆，以改善其性能。玻璃纤维本身的性能以及特种浸润剂是改善制备的直接无捻粗纱性能的主要影响因素。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法；本发明利用特定的玻璃纤维组成，能够有效降低玻璃纤维成型温度，具有较低的热膨胀系数，同时具有较高的强度和弹性模量，且利用特种的浸润剂处理后，得到毛羽量较少的低膨胀系数直接无捻粗纱。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法，包括：按比例称取原料，投入玻璃熔炉内，进行玻璃化、熔融处理，然后进行纺丝成型，得到玻璃纤维，冷却后涂覆浸润剂，然后再由直接无捻粗纱拉丝机绕制成低膨胀系数直接无捻粗纱并干燥即可；其中：
所述浸润剂由以下重量份的组分组成：硅烷偶联剂5-15份；不饱和聚酯树脂乳液10-20份；水性环氧树脂乳液10-30份；表面活性剂1-10份；pH调节剂1-5份；去离子水50-80份；所述硅烷偶联剂为质量比为1:3的γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷、二乙烯基三胺基丙基三乙氧基硅烷的混合物；所述表面活性剂为质量比1:0.4的脂肪醇聚氧乙烯醚和蓖麻油酸乙二醇双酯硫酸钠的混合物。
进一步的，所述原料由以下重量百分比组分组成：
所述Yb2O3、Gd2O3、Y2O3重量比为1:1-1.5:1-1.5；R2O为Na2O、K2O与Li2O的混合物；其中Na2O占R2O总重量的15-22％，K2O与Li2O重量比为1:1。
优选的，上述原料由以下重量百分比组分组成：
进一步的，所述CaO、MgO与Al2O3的重量比为1:0.3-1:0.8-2；所述Yb2O3、Gd2O3、Y2O3重量比为1:1:1。
优选的，所述pH调节剂为柠檬酸。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
首先，本发明对玻璃纤维原料进行了大幅度的优化，使得各原料之间协同作用，制备的直接无捻粗纱具有较低的低膨胀系数。
本发明中SiO2形成玻璃的骨架主体，是网络形成物，为了提高玻璃纤维的强度和保证化学稳定性，限定的SiO2含量一定。Al2O3的添加对玻璃纤维析晶倾向和稳定性、机械强度产生影响，将其引入到硅氧网络中，使得玻璃结构趋向稳定，降低膨胀系数。
同时，本发明中添加一定含量的B2O3、CaO和MgO，通过对CaO、MgO与Al2O3的重量比的限定，使得较小离子半径的B、Ca和Mg能够进入到网络中，增加体系致密性，降低膨胀系数。同时，上述成份的添加再一定程度上降低玻璃的粘度，能够降低玻璃的熔融温度，并在一定程度上提高强度。
本发明中还限定了Yb2O3、Gd2O3、Y2O3的用量，三种例子均属于3价阳离子，能够在一定程度上提高网络的积聚，提高致密度，降低膨胀系数。同时，三种离子的离子半径不同，通过对粒径的级配能够有效防止三种离子在网络中的移动，提高玻璃纤维的力学性能。
本发明在SiO2和Al2O3形成的网络中，引入多种离子，通过限定各物质的添加量，利用各离子之间的协同效应，使得网络更为紧密，各离子在网络中移动困难，从而获得具有较低热膨胀系数、较高力学性能的玻璃纤维组合物。
同时，本发明中利用硅烷偶联剂、不饱和聚酯树脂乳液、水性环氧树脂乳液、表面活性剂制备浸润剂，可以有效降低直接无捻粗纱的膨胀系数，同时提高其断裂强度，为要求高的玻璃纤维纺织制品提供了原料保障，它能提高玻璃纤维直接无捻粗纱的性能，织造产生的毛羽量较少，具有较好的生产性能和应用性能。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。
本发明提供一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法，具体实施例如下。
实施例1
一种低膨胀系数直接无捻粗纱的制备方法，包括以下步骤：按照表1中实施例1配方称取原料，投入玻璃熔炉内，进行玻璃化、熔融处理，然后进行纺丝成型，得到玻璃纤维。冷却后涂覆浸润剂，然后再由直接无捻粗纱拉丝机绕制成低膨胀系数直接无捻粗纱并110℃干燥即可；其中：浸润剂用量为玻璃纤维重量的0.1％；且所述浸润剂各组分用量见表2中实施例1。并对制备的低膨胀系数直接无捻粗纱进行性能检测，结果见表3。
实施例2-6
按照表1中实施例2-6配方称取原料，浸润剂各组分用量分别见表2中实施例2-6，其余条件与实施例1相同。
为进一步说明本发明的有益效果，因篇幅有限，仅以实施例5为例构建对比例如下。
对比例1-10
按照表1中对比例1-10配方称取原料，浸润剂配方与实施例5相同，其余条件与实施例5相同。
本发明实施例和对比例生产的是2400Tex低膨胀系数直接无捻粗纱，测定制造过程中一定量直接无捻粗纱产生的毛羽量，并依据GB/T7690.3-2001对其断裂强度进行测试。并利用实施例和对比例制备的低膨胀系数直接无捻粗纱增强直径6mm不饱和聚酯树脂拉挤棒材的性能测试；膨胀系数：根据配方熔制玻璃液，倒入模具，利用切割机切割成4*4*25.4mm的条状样品，利用热膨胀仪检测室温(25℃)至300℃之间的热膨胀系数。
对实施例1-6制备的低膨胀系数直接无捻粗纱进行性能检测，结果见表3。对比例1-10制备的低膨胀系数直接无捻粗纱进行性能检测，结果见表4。
表1
序号
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SrO
Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZnO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
Li<sub>2</sub>O
实施例1
53
15
15.4
8
0.5
1
1.5
1.2
2
2
0.1
0.15
0.15
实施例2
60
14
10
6
0.6
1.2
1
1.5
1.2
2.5
0.3
0.85
0.85
实施例3
55
15
11
10
0.6
1.5
1.2
1
1
3
0.14
0.28
0.28
实施例4
57
20
10
5
1
1
1
1
1
2
0.22
0.39
0.39
实施例5
55
14
16
5.1
0.5
1.2
1.2
1.2
1.8
2
0.3
0.85
0.85
实施例6
56
14
12
6.7
0.8
1.5
1.5
1.5
1.5
3
0.3
0.6
0.6
对比例1
55
14
16
5.1
0.5
--
1.8
1.8
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例2
55
14
16
5.1
0.5
1.8
--
1.8
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例3
55
14
16
5.1
0.5
1.8
1.8
--
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例4
55
20.1
5
10
0.5
1.2
1.2
1.2
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例5
55
12.88
22
0.22
0.5
1.2
1.2
1.2
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例6
55
14
16
5.1
0.5
0.72
1.44
1.44
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例7
55
14
16
5.1
0.5
1.44
0.72
1.44
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例8
55
14
16
5.1
0.5
1.44
1.44
0.72
1.8
2
0.3
0.85
0.85
对比例9
55
14
16
5.1
0.5
1.2
1.2
1.2
1.8
2
1
0.5
0.5
对比例10
55
14
16
5.1
0.5
1.2
1.2
1.2
1.8
2
0.2
0.9
0.9
表2
对实施例1-6制备的低膨胀系数直接无捻粗纱进行性能检测，结果见表3。对比例1-10制备的低膨胀系数直接无捻粗纱进行性能检测，结果见表4。
表3
序号
毛羽量mg/kg
断裂强度N/Tex
拉挤棒材弯曲强度MPa
膨胀系数，ppm/℃
实施例1
0.94
74.3
1364
2.6
实施例2
0.82
75.6
1387
2.7
实施例3
0.65
75.7
1403
2.4
实施例4
0.57
78.4
1448
2.2
实施例5
0.54
79.2
1460
2.1
实施例6
0.55
79.3
1452
2.5
由表1-3可知，在SiO2和Al2O3形成的网络中，引入多种离子，利用各离子之间的协同效应，并选用特定的浸润剂成分，使得制备的低膨胀系数直接无捻粗纱具有较低的低膨胀系数和较高的断裂强度、拉挤棒材弯曲强度，同时纺织过程中，毛羽量较少。
表4
由表1-4可知，与对比例1-3相比，将本发明中Yb2O3、Gd2O3、Y2O3三者替换为任一两者之后，得到的直接无捻粗纱热膨胀系数要明显高于本发明的热膨胀系数，同时断裂强度和拉挤棒材弯曲强度要远低于本发明玻璃纤维的断裂强度和拉挤棒材弯曲强度。这可能是由于在本发明二氧化硅和氧化铝的基础网络上，较小离子半径的B、Ca和Mg能够进入到网络中，增加体系致密性，降低膨胀系数。同时，Yb2O3、Gd2O3、Y2O3的用量，三种例子均属于3价阳离子，能够在一定程度上提高网络的积聚，提高致密度，降低膨胀系数。同时，三种离子的离子半径不同，通过对粒径的级配能够有效防止三种离子在网络中的移动，提高玻璃纤维的力学性能。
对比例4-8中，调整CaO、MgO与Al2O3和Yb2O3、Gd2O3、Y2O3的比例范围使其不在本发明的保护范围之内，得到的直接无捻粗纱的热膨胀系数、断裂强度和拉挤棒材弯曲强度较本发明实施例5差别较大，这是因为特定比例范围的CaO、MgO与Al2O3和Yb2O3、Gd2O3、Y2O3协同作用，能够使得网络更为紧密，降低膨胀系数，同时在一定程度上提高强度。
对比例9-10中，调整Na2O的用量，得到的无捻粗纱的热膨胀系数、弹性模量和拉伸强度较本发明实施例5均有所降低；这是因为Li2O、Na2O等能够极大程度的加速玻璃的融化，提高玻璃的化学稳定性、表面张力和析晶能力。
综上可知，本发明通过对玻璃纤维原料的限定，以及涂覆的浸润剂成分的限定，成功得到热膨胀系数较低、断裂强度和拉挤棒材弯曲强度高，毛羽量少的低膨胀系数直接无捻粗纱。
以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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